[發明專利]用于測量受壓氣體缸體的真實含量的方法和設備

有效

• 申請號: 201380026598.5
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN104303039A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: N.A.道尼;C.M.盧迪克
• 申請（專利權）人: 氣體產品與化學公司
• 主分類號: G01N9/00
• 分類號: G01N9/00;G01N29/036;G01N29/22;F17C13/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;汲長志

技術領域

本發明涉及用于測量受壓氣體的缸體的真實含量的方法和設備。更特別地，本發明涉及用于使用壓電振蕩器和防護殼體來精確地測量氣體的缸體的真實含量或真實含量的變化速率的方法和設備。

背景技術

本文描述的方法和設備可應用于其中存在較高壓力(例如大約10巴或更高)的氣體的系統，諸如例如，高壓缸體中的氣體供應或利用高壓氣體的制造裝置。本發明尤其涉及“清潔”氣體，即，沒有雜質或污染物(諸如水蒸氣或灰塵)或者雜質或污染物較少的氣體。

壓縮氣體缸體是設計成容納處于高壓(即，處于顯著大于大氣壓力的壓力)的氣體的壓力容器。在廣泛的市場范圍中使用壓縮氣體缸體，從一般低成本工業市場，到醫療市場，到較高成本的應用，諸如利用高純度有腐蝕性、有毒或自燃的特殊氣體的電子制造。通常，加壓氣體容器包括鋼、鋁或復合材料，并且能夠存儲經壓縮、液化或溶解的氣體，其中，對于大多數氣體，最高填充壓力高達450巴(表壓)(其中，巴(表壓)是高于大氣壓力的壓力(單位為巴)的度量)，而對于諸如氫和氦的氣體，最高填充壓力則高達900巴(表壓)。

本發明尤其可應用于永久氣體。永久氣體是無法單獨用壓力液化的氣體，而且例如可在缸體中以高達450巴(表壓)的壓力供應。示例為氬氣和氮氣。但是，這不應理解為限制性，而是可認為用語氣體包括較廣范圍的氣體，例如，永久氣體和液化氣體的蒸氣兩者。液化氣體的蒸氣在壓縮氣體缸體中存在于液體之上。在被壓縮以填充到缸體中時在壓力下液化的氣體不是永久氣體，并且較精確地將它描述成加壓的液化氣體或液化氣體蒸氣。作為示例，在缸體中以液體形式供應一氧化二氮，其中，在15℃下，平衡蒸氣壓力為44.4巴(表壓)。這樣的蒸氣不是永久氣體或真氣體，因為它們被大約為環境條件的壓力或溫度液化。

在許多情況下，需要監測給定缸體或壓力容器的含量，以確定剩余氣體量。這在諸如保健應用的情形中特別重要。

已知在了解缸體內的氣體的壓力的情況下，根據氣體定律來計算缸體的真實含量。壓力測量是眾所周知的技術，并且存在多種用來測量壓力的裝置。最傳統的類型使用配備有應變計元件的彈性膜片。但是，雖然是目前制造的成本最低的一種壓力傳感器，但這些傳感器的大小往往較大，而且具有雖然可用大規模照相平版印刷法生產但仍然較復雜且制造起來昂貴的機械結構。它們還具有一定程度的脆度，而且在使用它們之前需要進行校準和溫度補償。

另一種常用的壓力計是布爾登壓力計。這種壓力計包括脆弱的平坦薄壁式端部封閉的管，管在空心端處連接到容納待測量的流體壓力的固定管上。壓力增大會使管的封閉端展現弓形。這種壓力計包括精細構件，它們易于由于例如暴露于高壓而受損。

使得難以精確地測量氣體容器中的氣體量的一個問題在于容納在缸體內的氣體的溫度-壓力關系。根據氣體定律，由處于恒定體積的給定量的氣體施加的壓力與其溫度直接成比例。因此，隨著氣體的溫度升高，氣體的壓力也將增大。

因此，使用壓力計(諸如布爾登壓力計)所得出的壓力測量值會與絕對溫度成比例的上下波動，例如從20℃的初始溫度到例如在太陽照射的環境中的50℃，布爾登壓力計上指示的壓力將增大10%。

額外的問題在于，為了使用壓力測量值來確定缸體的含量，需要針對氣體的可壓縮性，校正壓力計。這由于處于高壓的氣體的特性與理想氣體的特性不一致而變得復雜。

用來測量氣體的物理屬性的備選類型的裝置是壓電裝置，諸如石英晶體。石英晶體展現壓電特性，即，對它們應用電壓會使固體略微壓縮或伸展，反之亦然。

Zeisel等人的“A?Precise?And?Robust?Quartz?Sensor?Based?On?Tuning?Fork?Technology?For?(SF6)?–?Gas?Density?Control”(Sensors?and?Actuators?80?(2000)?233-236)公開了一種組件，其中，使用石英晶體傳感器來測量高壓和中等電壓電力裝備中的處于低的氣體壓力的SF₆氣體的密度。SF₆氣體的密度測量對于設備的安全是至關重要的。此文獻描述了石英傳感器技術的低壓應用，其中，使用高達8巴(表壓)的壓力。

US?4,644,796公開了一種用于使用容納在可變容積殼體(包括風箱組件)內的石英晶體振蕩器來測量流體的壓力的方法和設備。殼體的內部容積由于風箱被外部流體壓力壓縮/膨脹而改變。因此，殼體內的流體的密度在殼體的內部容積改變時改變。可使用石英晶體振蕩器來測量殼體內的密度。